王光輝, 李建磊, 王華斌, 楊化超
(1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心,北京 100830; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(徐州),徐州 221116)
隨著空間信息技術(shù)的飛速發(fā)展,遙感影像的空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率不斷提高,其獲取的地表信息更加豐富,應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。如何利用高空間分辨率遙感圖像豐富的地物細(xì)節(jié)信息,并抑制成像條件與自然條件帶來(lái)的信息干擾,是目前遙感影像變化檢測(cè)研究中倍受關(guān)注的問(wèn)題。傳統(tǒng)的單像素、單一特征的變化檢測(cè)算法已經(jīng)不能滿足變化目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和完整性[1],面向?qū)ο蠖嗵卣魅诤系淖兓瘷z測(cè)算法[2-3]已成為高空間分辨率遙感變化檢測(cè)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
由影像派生的多特征是變化檢測(cè)信息的載體,主要包括光譜、邊緣和紋理等特征。利用影像對(duì)象特征進(jìn)行多時(shí)相變化檢測(cè)時(shí)傳統(tǒng)的變化檢測(cè)算法選用單一特征,如Bovolo等[4]采用像斑均值信息進(jìn)行變化檢測(cè); 莊會(huì)富等[5]提出基于紋理特征的影像變化檢測(cè)算法,通過(guò)多方向、多個(gè)紋理特征構(gòu)建差異影像提高了變化檢測(cè)的精度; 李松等[6]提出結(jié)合紋理分析與比率變換的變化檢測(cè)算法,通過(guò)分析紋理特征,統(tǒng)計(jì)紋理的指標(biāo),有效地識(shí)別出滑坡災(zāi)害信息; 鐘家強(qiáng)等[7]提出線特征變化檢測(cè)算法,通過(guò)提取影像的邊緣梯度信息、壓縮、擬合等處理,獲得變化檢測(cè)結(jié)果,避免了線匹配的復(fù)雜過(guò)程,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。雖然以上的算法都從不同的角度驗(yàn)證特征的有效性和可用性,但單一特征模型的適用性和精度并不理想。劉臻等[8]利用梯度和紋理相似度進(jìn)行變化檢測(cè); 李亮等[9]將光譜信息與紋理信息結(jié)合提出多特征融合的變化檢測(cè)算法; 魏立飛等[10]提出應(yīng)用多特征流行嵌入模型,充分綜合多特征的信息,獲得了完整的變化信息。但上述多特征融合方法多采用光譜與紋理的特征,未能考慮顏色的空間分布信息以及影像的邊緣特征。
鑒于上述情況,本文通過(guò)研究不同特征的特點(diǎn),提出多特征自適應(yīng)融合的變化檢測(cè)方法,以影像對(duì)象的顏色直方圖為依據(jù),通過(guò)統(tǒng)計(jì)顏色直方圖、邊緣直線梯度直方圖的最大概率差別自適應(yīng)確定權(quán)值,實(shí)現(xiàn)顏色特征與邊緣直線特征的自適應(yīng)加權(quán)組合,為下一步變化強(qiáng)度閾值的選取做準(zhǔn)備。
為了充分利用遙感圖像的顏色空間分布信息以及邊緣直線梯度特征,本文提出一種基于面向?qū)ο笏枷氲亩嗵卣魅诤献兓瘷z測(cè)方法。首先,運(yùn)用多尺度分割算法(multi-solution segmentation)獲得影像對(duì)象,并統(tǒng)計(jì)影像對(duì)象的顏色直方圖和邊緣直線梯度直方圖信息; 然后,利用推土機(jī)距離(earth mover’s distance, EMD)計(jì)算不同時(shí)相影像對(duì)象之間的顏色距離和邊緣直線距離,并自適應(yīng)加權(quán)顏色距離和邊緣直線距離,獲得對(duì)象的異質(zhì)性,對(duì)象的異質(zhì)性越接近于0變化可能性越低,遠(yuǎn)離0則變化可能性越高; 最后,基于以上理論采用直方圖曲率分析獲得像斑的變化檢測(cè)結(jié)果。
具體變化檢測(cè)流程見(jiàn)圖1。
圖1 變化檢測(cè)流程
影像分割是面向?qū)ο笥跋穹治龅幕A(chǔ),其結(jié)果將對(duì)后續(xù)的分析產(chǎn)生重要的影響[11]。本文選用多尺度分割算法[12],通過(guò)計(jì)算各波段的形狀與光譜異質(zhì)性的特征值,根據(jù)各個(gè)波段信息自適應(yīng)確定權(quán)重,進(jìn)行迭代運(yùn)算,直到影像對(duì)象的形狀和光譜的綜合加權(quán)值大于給定的閾值時(shí)停止迭代,完成影像的多尺度分割。對(duì)于任意波段的影像i,其異質(zhì)性fi為
fi=ωihcolor+(1-ωi)hshope,
(1)
hshope=(1-ωsm)hcm+ωsmhsm,
(2)
式中:ωi為第i波段光譜異質(zhì)性hcolor的權(quán)重;hshope為形狀異質(zhì)性,通過(guò)形狀平滑度的權(quán)重ωsm、形狀平滑度hsm和形狀緊湊度hcm確定。
直方圖是一種空間統(tǒng)計(jì)特征,顏色和邊緣直線梯度直方圖能較好地表達(dá)對(duì)象的空間特征分布情況,為下一步計(jì)算前后2期差異提供依據(jù)。本文采用影像對(duì)象的顏色直方圖和邊緣直線梯度直方圖來(lái)描述不同時(shí)相影像對(duì)象的光譜特征和空間特征。
1.2.1 顏色特征提取
顏色作為影像上一種直觀顯著的重要視覺(jué)特征,對(duì)影像的形態(tài)、大小、方向和視角依賴(lài)較小。竇建軍等[13]曾將全局顏色直方圖應(yīng)用于圖像檢索領(lǐng)域。常用的RGB模型都存在以下不足: ①不符合人對(duì)顏色的感知心理; ②在顏色感知上存在較小差異的2個(gè)點(diǎn),難以在非均勻分布的RGB顏色空間中以2個(gè)點(diǎn)來(lái)表示。HSV顏色空間是面向視覺(jué)感知的模型,符合人眼感知的色調(diào)、亮度和飽合度3要素,能更好地模擬人工變化檢測(cè)的過(guò)程,因此能更好地用于提取顏色特征。顏色直方圖的提取主要包括2步: ①RGB模型與HSV模型轉(zhuǎn)換; ②HSV的量化。
首先,RGB模型轉(zhuǎn)換成HSV模型,具體公式為
(3)
(4)
(5)
(6)
式中:R,G和B分別為紅光、綠光和藍(lán)光波段影像。經(jīng)過(guò)HSV顏色變換,影像上的每一個(gè)像素點(diǎn)都可以用H,S和V來(lái)表示; 然后,依據(jù)人眼對(duì)顏色感知的特性,對(duì)HSV 3分量均勻量化,將H,S和V分別空間量化為8,5和5份; 最后,統(tǒng)計(jì)獲得影像對(duì)象的顏色直方圖。
1.2.2 邊緣直線特征提取
高空間分辨率遙感圖像紋理比較豐富,采用canny,soble和lapace等算子可以直接提取低矮建筑物區(qū)的邊緣,但邊緣比較瑣碎,難以表達(dá)影像對(duì)象的特征。本文采用line segment detector算子[14]檢測(cè)遙感圖像中幾何形狀明顯的目標(biāo)。由于直線區(qū)域的灰度通常是不連續(xù)的,直線上每一像素對(duì)應(yīng)一個(gè)梯度方向,基于直線像素點(diǎn)的梯度方向建立的直方圖能夠表示影像對(duì)象的形狀特征,對(duì)于發(fā)生變化的對(duì)象能很好地反映前后2期的差異。對(duì)于影像上點(diǎn)(x,y)處f(x,y)的梯度定義為
(7)
梯度是一個(gè)矢量,其大小和方向?yàn)?/p>
(8)
θ(x,y)=arctan (Gy/Gx) ,
(9)
式中θ(x,y)為f(x,y)在該點(diǎn)的灰度變化最大的方向。根據(jù)直線像素點(diǎn)方向統(tǒng)計(jì)直線梯度方向直方圖H(i)。直線梯度直方圖表征影像對(duì)象直線取向的分布特征,不同時(shí)相變化的影像對(duì)象具有不同的直線分布。
(10)
顏色特征與邊緣直線特征的組合是實(shí)現(xiàn)多特征融合的關(guān)鍵之一,常用方法為加權(quán)組合。設(shè)DHSVEMD和DLINEEMD分別為顏色相似度和邊緣直線相似度,ωhsv和ωline分別為對(duì)應(yīng)的權(quán)重,則顏色和邊緣直線的加權(quán)組合為
DIS=ωhsvDHSVEMD+ωlineDLINEEMD。
(11)
其中ωhsv和ωline的確定成為特征融合的關(guān)鍵問(wèn)題。顏色和邊緣直線權(quán)重的確定主要依賴(lài)如下準(zhǔn)則: 在顏色主導(dǎo)的區(qū)域,顏色的權(quán)重較大,否則邊緣直線權(quán)重較大。針對(duì)遙感影像分割中光譜和紋理特征,許多研究者提出了自動(dòng)加權(quán)方法[9-16],然而由于權(quán)重的確定過(guò)于復(fù)雜,方法難以推廣。
為此,本文提出一種自適應(yīng)的權(quán)重確定方法。根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算前后2期對(duì)象的顏色直方圖和直線梯度直方圖動(dòng)態(tài)調(diào)整顏色和邊緣直線特征的權(quán)重。首先,計(jì)算前后2期對(duì)象的顏色直方圖和直線梯度直方圖; 然后,以直方圖所表達(dá)的信息動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)重。對(duì)于顏色比較單一的區(qū)域,顏色值會(huì)比較集中分布在某幾個(gè)值附近,使得直方圖中最大概率的值比較大; 對(duì)于邊緣直線特征比較明顯的對(duì)象,邊緣直線梯度直方圖差別就比較大。如圖2所示,圖2(a)中2個(gè)方框區(qū)域2013年為植被區(qū)域,圖2(b)中2015年已被建設(shè)成道路。圖2(c)和(d)分別為2013年和2015年的顏色直方圖和邊緣直線梯度直方圖,可以看出2個(gè)區(qū)域2 a間的直線梯度直方圖相接近,但是顏色直方圖存在較大的差異。
(a)2013年 (b) 2015年 (c) 顏色直方圖 (d) 直線梯度直方圖
圖2顏色主導(dǎo)區(qū)域
Fig.2Areaofcolordominate
圖3(a)中2個(gè)方框區(qū)域2013年為裸地區(qū)域,2015年該區(qū)域已建為建筑物(圖3(b))。圖3(c)和圖3(d)分別為2013年和2015年的顏色直方圖和邊緣直線梯度直方圖,可以看出2個(gè)區(qū)域2 a間的顏色直方圖相接近,但是直線梯度直方圖存在較大的差異。
(a) 2013年 (b) 2015年 (c) 顏色直方圖 (d) 直線梯度直方圖
圖3邊緣直線主導(dǎo)區(qū)域
Fig.3Areaofedgelinedominate
通過(guò)以上分析,當(dāng)前后2期的顏色差別較大時(shí),顏色直方圖的最大概率差別也較大; 當(dāng)前后2期的邊緣直線特征差別比較大時(shí),直線梯度直方圖的最大概率差別也就較大。據(jù)此,根據(jù)顏色直方圖和直線梯度直方圖的差別情況自適應(yīng)地設(shè)置顏色與邊緣直線權(quán)重,即
k1=abs[max(hsvt1)-max(hsvt2)] ,
(12)
k2=abs[max(linet1)-max(linet2)] ,
(13)
式中max(hsv)和max(line)分別為顏色直方圖和直線梯度直方圖的最大概率值。
顏色直方圖的最大概率值一定程度上反映了顏色信息。因此當(dāng)顏色信息占主導(dǎo)時(shí),顏色權(quán)重應(yīng)適當(dāng)增大,反之顏色權(quán)重應(yīng)適當(dāng)減小。顏色權(quán)重的表達(dá)式為
(14)
令所有對(duì)象異質(zhì)性值的集合為D={D1,D2,…,Dn},異質(zhì)性值接近0,表示圖像變化可能性越小; 越遠(yuǎn)離0值地區(qū),則變化的可能性越大。影像上大部分是沒(méi)有發(fā)生變化的,則異質(zhì)性直方圖是逐漸遞減的一種形態(tài)。本文采用異質(zhì)性直方圖曲率分析(histogram curvature analysis,HCA)方法確定變化檢測(cè)閾值,該方法自適應(yīng)能力較強(qiáng)。
影像對(duì)象的異質(zhì)性值呈現(xiàn)出單側(cè)正態(tài)分布趨勢(shì),且對(duì)象中變化區(qū)域和非變化區(qū)域的異質(zhì)性往往會(huì)有很明顯的差異,通過(guò)分析直方圖的曲率可以確定變化檢測(cè)的閾值。依據(jù)微積分基本原理,曲率值越小表示曲線的彎曲程度比較緩,曲線發(fā)生突變的可能性就越??; 而對(duì)于離散數(shù)據(jù)其曲率值k可近似表達(dá)為
(15)
式中f(i)為第i個(gè)位置對(duì)應(yīng)的頻率值。取k最大值對(duì)應(yīng)的i作為變化檢測(cè)的最優(yōu)閾值,實(shí)現(xiàn)最終變化區(qū)域的提取。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用蘇州市某城區(qū)的2013年和2015年資源三號(hào)衛(wèi)星遙感影像,尺寸大小為1 800像素×1 420像素,空間分辨率為2.1 m,由藍(lán)光、綠光、紅光和近紅外4個(gè)波段組成; 影像已經(jīng)經(jīng)過(guò)影像配準(zhǔn)和直方圖匹配等預(yù)處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。
(a) 2013年 (b) 2015年
圖4蘇州市某城區(qū)影像
Fig.4SuzhouCityimages
實(shí)驗(yàn)采用多尺度分割算法對(duì)配準(zhǔn)和直方圖匹配后的多時(shí)相遙感影像進(jìn)行分割,獲得具備光譜和形狀同質(zhì)性的對(duì)象。最優(yōu)分割尺度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)確定; 形狀因子參與形狀一致度的權(quán)重,最優(yōu)的形狀因子能夠得到合理邊界的影像對(duì)象; 緊致度表示影像對(duì)象的規(guī)則程度,緊致度過(guò)大則分割后影像地物不唯一,出現(xiàn)不純凈的對(duì)象。最終確定分割參數(shù)分別為: ①分割尺度為100、形狀因子為0.45、緊致度為0.5; ②分割尺度為80、形狀因子為0.5、緊致度為0.64。然后將前后2個(gè)時(shí)期的分割結(jié)果進(jìn)行疊加生成最終的矢量文件如圖5(a)所示。圖5(b)為標(biāo)準(zhǔn)變化檢測(cè)結(jié)果,其中黑色表示未變化區(qū)域,白色表示變化區(qū)域。為了驗(yàn)證多特征融合算法的有效性,將單一特征、固定權(quán)重算法同本文算法進(jìn)行了比較,檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。圖6中橢圓為虛檢區(qū)域,矩形為漏檢區(qū)域。6種變化檢測(cè)結(jié)果的精度評(píng)定如表1所示。
(a) 分割結(jié)果 (b) 標(biāo)準(zhǔn)變化檢測(cè)結(jié)果
圖5分割結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果
Fig.5Segmentationandstandarddetectionresults
(a)ωhsv=1,ωline=0 (b)ωhsv=0.7,ωline=0.3 (c)ωhsv=0.5,ωline=0.5
(d)ωhsv=0.3,ωline=0.7 (e)ωhsv=0,ωline=1(f) 本文檢測(cè)結(jié)果
圖6 不同權(quán)重變化檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Different weight results of change detection表1 不同權(quán)重變化檢測(cè)結(jié)果精度比較Tab.1 Accuracy comparison by methods with different weights
分析圖6可以得出如下結(jié)論: 圖5(a)僅利用顏色特征進(jìn)行變化檢測(cè),存在較多的虛檢和一定的漏檢。圖5(e)僅利用邊緣直線特征進(jìn)行變化檢測(cè),漏檢現(xiàn)象比較嚴(yán)重。利用顏色特征與邊緣直線特征加權(quán)進(jìn)行變化檢測(cè),當(dāng)顏色權(quán)重為0.7時(shí),雖然部分圖5(b)中虛檢部分被標(biāo)記為未變化,但仍存在一定的漏檢現(xiàn)象; 當(dāng)顏色權(quán)重與邊緣直線權(quán)重都為0.5時(shí),圖5(c)也存在較多的漏檢和虛檢; 當(dāng)顏色權(quán)重為0.3時(shí),與圖5(b)和(c)相比虛檢有所下降,但是漏檢增加; 利用本文算法進(jìn)行變化檢測(cè),圖5(f)變化區(qū)域的識(shí)別仍然存在虛檢和漏檢,但虛檢率和漏檢率比固定權(quán)重有所降低。
文獻(xiàn)[9]與文獻(xiàn) [16]都采用了光譜特征與紋理特征融合,依據(jù)像斑灰度的標(biāo)準(zhǔn)差自適應(yīng)確定閾值,其精度與本文精度的對(duì)比如表2所示。由于不同時(shí)期遙感影像存在太陽(yáng)高度角、光照條件和季節(jié)等因素不同程度的影響,使得不同地物在影像上具有不同的灰度值,而紋理特征僅反映地物結(jié)構(gòu)信息,無(wú)法作為區(qū)分不同地物的主要依據(jù),故實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文采用光譜特征與幾何特征的變化檢測(cè)精度最高。
表2 不同變化檢測(cè)算法精度比較Tab.2 Accuracy comparison of different methodsof change detection
基于面向?qū)ο蟮姆治鏊枷?,本文提出了一種多特征融合的遙感影像變化檢測(cè)算法。實(shí)現(xiàn)了顏色特征與邊緣直線特征的自適應(yīng)加權(quán)組合,為融合HSV顏色直方圖與邊緣直線梯度直方圖進(jìn)行變化檢測(cè)提供了一種思路。采用直方圖曲率分析獲得像斑的變化檢測(cè)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了變化檢測(cè)最優(yōu)閾值的自動(dòng)確定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法依據(jù)像斑的光譜信息,充分、有效地挖掘和融合了影像多特征的檢測(cè)優(yōu)勢(shì),降低了虛檢率和漏檢率,提高了變化檢測(cè)的正確率。為了進(jìn)一步提高變化檢測(cè)的精度,后繼研究將在本文基礎(chǔ)上,引入紋理和形狀等特征信息。
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